CN110562983B - 高性能吸波材料的高效制备装置及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及吸波材料的制备方法，其特征在于设有石墨容器、耐高温加热管和感应加热部，耐高温加热管内设有石墨容器，耐高温加热管外侧设有感应加热部，耐高温加热管经导气管与真空泵和或惰性气体源相连接，制备时，第一步，取碳化硅纤维和二茂铁，所述二茂铁粉末质量不小于碳化硅纤维质量的1/2；第二步，将二茂铁粉末和碳化硅纤维放入石墨容器后，关闭石墨容器盒盖；第三步，将石墨容器放入耐高温加热管后，关闭耐高温加热管的密封盖，使耐高温加热管形成密闭的反应空间；第四步，打开真空泵，将耐高温加热管和石墨盒内抽至真空；第五步，打开感应加热线圈，感应加热。本发明具有安全性高、生产成本低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及吸波材料的制备方法，具体的，是一种高性能吸波材料的高效制备方法。
背景技术
电磁技术的发展虽然给人类带来了极大的便利，但同时也存在一些问题。电磁干扰会影响一些电子设备的正常工作，电磁污染会给生态环境和人体健康带来不可忽视的危害，因此，发展吸波材料来减少电磁波带来的的不良影响具有很大的必要性。此外，隐身技术作为现代军事科技的重要组成部分，越发受到各国的关注，发展高性能的吸波材料是解决隐身问题的关键。
碳化硅纤维是一种高性能增强陶瓷纤维，具有强度高、弹性模量高、膨胀系数小、稳定性好、耐腐蚀等特性。作为一种半导体材料，碳化硅纤维还具有优良的介电性能，其电磁特性可以通过各种方法进行调节，从而使其具有吸波性能，在航空航天等领域有着潜在的应用价值。碳纳米管作为一种一维纳米材料，重量轻，具有许多优异的力学、电学和化学性能。近年来，有研究者将碳纳米管与碳纤维、石墨烯、铁磁性材料等复合，都获得了较好的吸波效果。此外，还有研究者将碳化硅纳米线、碳化硅晶须与碳纤维等碳材料复合，也获得了不错的吸波性能。目前，有关引入碳纳米管提高碳化硅纤维吸波性能的报道还未出现。
目前制备碳纳米管的主要方法有电弧放电法、化学气相沉积法、激光烧蚀法等，其中，化学气相沉积法由于具有工艺简单、参数易于控制、产率较高等优点，所以应用最为广泛；传统的化学气相沉积法一般是先将催化剂分散在基体表面，之后通入含碳的反应气体及保护气体并加热，碳源气体在催化剂作用下高温裂解，从而在基体表面生长出碳纳米管，部分情况下还需要通入氢气作为还原性气体参与反应，由于氢气易燃易爆，这增加了生产风险。
传统的化学气相沉积法通常采用金属催化剂，对于金属催化剂而言，例如铁、钴、镍，催化剂的用量很少，如果直接添加纯金属颗粒，很难混合均匀，特别是针对纤维等基体，真正能附着在纤维表面的催化剂颗粒很少，因此，一般采用化学电镀、浸渍、喷涂、沉积等方法附着纯金属的催化剂，使用电炉加热，所需的加热与保温时间较长。
发明内容
为了解决现有技术中的不足，本发明将提供一种安全性高、生产成本低的高性能吸波材料的高效制备方法。
为了实现上述功能，本发明将采用以下技术方案：
一种高性能吸波材料的高效制备装置，其特征在于设有石墨容器、耐高温加热管和感应加热部，所述耐高温加热管内设有石墨容器，耐高温加热管外侧设有感应加热部，耐高温加热管经导气管与真空泵和或惰性气体源相连接，其中，所述耐高温加热管包括管体，管体上设有石墨容器放入口，石墨容器放入口处设有密封盖，所述石墨容器包括盒体，盒体上设有纤维放入口，纤维放入口处设有盒盖。
本发明所述导气管包括真空导气管和惰性气体导气管，真空导气管和惰性气体导气管上均设有阀门。
本发明所述耐高温加热管下端设有感应加热部。
本发明所述感应加热部为感应加热线圈。
本发明所述耐高温加热管为石英管。
一种高性能吸波材料的高效制备方法，其特征在于，包含以下步骤：
第一步，取碳化硅纤维和二茂铁，所述二茂铁粉末质量不小于碳化硅纤维质量的1/2；
第二步，将二茂铁粉末和碳化硅纤维放入石墨容器后，关闭石墨容器盒盖；
第三步，将石墨容器放入耐高温加热管后，关闭耐高温加热管的密封盖，使耐高温加热管形成密闭的反应空间；
第四步，打开真空泵，将耐高温加热管和石墨盒内抽至真空；
第五步，打开感应加热线圈，感应加热。
一种高性能吸波材料的高效制备方法，其特征在于，包含以下步骤：
第一步，取碳化硅纤维和二茂铁，所述二茂铁粉末质量不小于碳化硅纤维质量的1/2；
第二步，将二茂铁粉末和碳化硅纤维放入石墨容器后，关闭石墨容器盒盖；
第三步，将石墨容器放入耐高温加热管后，打开气体源，使石墨容器和耐高温加热管充满惰性气体；
第四步，打开感应加热线圈，感应加热。
本发明所述碳化硅纤维为去除粘结剂后的碳化硅纤维。
本发明所述将碳化硅纤维表面的粘结剂加热分解时，先将表面粘附有粘结剂的碳化硅纤维放入石墨容器后，将石墨容器放入耐高温加热管后，打开气体源或真空泵，在真空或惰性气体气氛下感应加热感应加热至300-350摄氏度后，保温20-40s。
本发明所述二茂铁粉末均匀分布在碳化硅纤维表面；混合后的二茂铁粉末与碳化硅纤维，感应加热加热温度在800-1000摄氏度后，保温2-3min，加热后随炉冷却。
本发明所述耐高温加热管为石英管或氧化铝管，最好为石英管，既可方便加热，也可便于观察石墨容器是否正常加热。
本发明所述石英管两端的导气管均设有阀门，可与惰性气体源或真空泵相连通。
本发明所述感应加热部为感应加热线圈。
本发明所述石英管下端设有感应加热部。
一种高性能吸波材料的高效制备方法，其特征在于，包含以下步骤：
第一步，将碳化硅纤维表面的粘结剂加热分解后冷却；
第二步，取不小于碳化硅纤维质量1/2的二茂铁粉末，将二茂铁粉末与去除粘结剂后的碳化硅纤维混合；
第三步，将混合后的二茂铁粉末与碳化硅纤维放入石墨容器中，在真空或惰性气氛下感应加热；
第四步，冷却后取出。
本发明所述二茂铁粉末与碳化硅纤维均匀混合。
本发明所述混合后的二茂铁粉末与碳化硅纤维，感应加热加热温度在800-1000摄氏度后，保温2-3min，加热后随炉冷却。
本发明将碳化硅纤维表面的粘结剂加热分解时，将碳化硅纤维放入石墨容器，在真空或惰性气体气氛下感应加热。
本发明所述碳化硅纤维表面加热分解粘结剂时，需感应加热至300-350摄氏度后，保温20-40s。
以本实验为例，带盖的石墨容器形成了一个相对封闭的反应空间，使二茂铁分解后形成的气体大部分留在石墨容器内部，而很少进入石英管中，将石墨盒子放入石英管，石英管连接有控制气体进出的阀门，抽真空时可以连接真空泵，需要通惰性气体时就连接惰性气体源，石英管下方是感应加热线圈，也可以将感应加热线圈缠绕在石英管周围，石英管也可以用氧化铝管等耐高温、绝缘的无机非金属材质的管替代，石墨容器不仅可以被感应加热，而且可以确保二茂铁分解后形成的气体大部分都在容器内部纤维附近富集，溢出石墨容器的气体很少，可忽略。为了减少二茂铁受热分解时石墨容器的内外压力差，可以向石英管内通入惰性气体（氩气），这样与抽真空相比能减少溢出石墨容器的气体。这种方法与一般的制备碳纳米管的方法相比，大大节省了原料，只使用二茂铁一种固体原料，不需要通入其它反应气体，并且二茂铁几乎完全被反应消耗掉，没有剩余和浪费。
附图说明
图1为本发明所述制备装置的一种结构示意图（真空下生长碳纳米管）。
图2为碳化硅纤维的扫描电镜图。
图3为碳纳米管/碳化硅纤维复合材料的扫描电镜图。
图4为碳纳米管/碳化硅纤维复合材料的扫描电镜图（局部放大）。
图5为碳纳米管/碳化硅纤维复合材料的扫描电镜图（局部放大）。
图6为碳化硅纤维的反射损耗曲线图。
图7为碳纳米管含量0.72wt.%、填充量20wt.%的碳纳米管/碳化硅纤维的反射损耗曲线图。
图8为碳纳米管含量0.87wt.%，填充量15wt.%的碳纳米管/碳化硅纤维的反射损耗曲线图。
图9为碳纳米管含量1.06wt.%，填充量10wt.%的碳纳米管/碳化硅纤维的反射损耗曲线图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的说明：
如图所示，一种高性能吸波材料的高效制备装置，其特征在于设有石墨容器1、耐高温加热管2和感应加热部3，所述耐高温加热管2内设有石墨容器1，耐高温加热管外侧设有感应加热部3，耐高温加热管经导气管与真空泵4和或惰性气体源5相连接，其中，所述耐高温加热管包括管体，管体上设有石墨容器放入口，石墨容器放入口处设有密封盖，所述石墨容器包括盒体，盒体上设有纤维放入口，纤维放入口处设有盒盖。所述导气管包括真空导气管和惰性气体导气管，真空导气管和惰性气体导气管上均设有阀门6，当反应环境为真空环境时，关闭惰性气体导气管上的阀门，当反应环境为惰性气体时，真空导气管一端与耐高温加热管相连通，真空导气管另一端与外界空气想连通，所述耐高温加热管下端设有感应加热部，耐高温加热管为石英管。
本发明在反应之前，首先，先去除了纤维表面的粘接剂，使二茂铁更好的与纤维接触，从而使碳纳米管生长更加均匀，效果更好。这一步骤既可以在真空或惰性气氛下进行，也可以在空气中进行。纤维表面的粘接剂一般为环氧树脂，它在无氧环境下的分解温度为300℃，在有氧环境下的分解温度为200℃，由于纤维表面的粘接剂较少，加热达到分解温度后保温30s即可。
由于二茂铁本身不导电，因此不可以直接进行感应加热，所以需要将原料装入可导电的石墨容器中。以本实验为例，使用的石墨容器是自制的石墨盒子，设有盒盖，可以形成一个相对封闭的反应空间，使二茂铁分解后形成的气体大部分都在容器内部，而很少进入石英管中，将石墨盒子放入石英管，石英管连接有控制气体进出的阀门，抽真空时可以连接真空泵，需要通惰性气体时就连接惰性气体源，石英管下方是感应加热线圈，也可以将感应加热线圈缠绕在石英管周围，石英管也可以用氧化铝管等耐高温、绝缘的无机非金属材质的管替代，本发明所述感应加热线圈的功率一般在4kw-10kw。
石墨容器不仅可以被感应加热，而且可以确保二茂铁分解后形成的气体大部分都在容器内部即即在纤维附近富集，溢出石墨容器的气体很少，可忽略。为了减少二茂铁受热分解时石墨容器的内外压力差，可以向石英管内通入惰性气体（氩气），这样与抽真空相比能减少溢出石墨容器的气体。这种方法与一般的制备碳纳米管的方法相比，可大大节省了原料，只使用二茂铁一种固体原料，不需要通入其它反应气体，并且二茂铁几乎完全被反应消耗掉，没有剩余和浪费，而对于一般的需要通碳源气体的方法，有相当一部分气体原料没有参与反应，浪费较多。当碳化硅纤维与二茂铁的质量比分别为1:1，1:1.5，1:2，1:2.5，1:3时，功率为6kW的感应加热线圈加热2min后，在纤维表面即可得到质量分数约为0.15wt.%，0.54wt.%，0.72wt.%，0.87wt.%，1.06wt.%的碳纳米管。而二茂铁的分解温度为800℃，使用功率为6kw的感应加热线圈约5-10s内就能达到反应所需温度，碳纳米管就开始生长，保温约2min，最后随炉冷却，约3-5min后即可取出样品，由于使用了感应加热技术，因此加热和冷却速度都很快，效率远远高于一般的生长碳纳米管的技术。
当碳纳米管的质量分数为0.72wt.%，样品填充量为20wt.%时，表现出了最佳的吸波性能，在11.36GHz处反射损耗最小值达到了-62.5dB，对应厚度为4.0mm，该样品在2-18GHz频率范围内的有效吸收带宽为8.8GHz。改变碳纳米管含量、填充量、厚度这三参数可以调节碳纳米管/碳化硅纤维复合材料的电磁参数，从而调节其吸波性能。当碳纳米管的质量分数为0.87wt.%，样品填充量为15wt.%时，在13.12GHz处反射损耗最小值达到了-43.8dB，对应厚度为3.5mm，该样品在2-18GHz频率范围内的有效吸收带宽为8.3GHz。当碳纳米管的质量分数为1.06wt.%，样品填充量为10wt.%时，在11.36GHz处反射损耗最小值达到了-54.1dB，对应厚度为2.6mm，该样品在2-18GHz频率范围内的有效吸收带宽为7.9GHz。与未引入碳纳米管的碳化硅纤维相比，该材料的吸波性能有显著的提高。
吸波材料在设计时一般需要考虑两个方面：阻抗匹配和衰减特性。阻抗匹配要求电磁波入射到材料上时，能最大限度地减少反射，从而使电磁波最大程度地进入材料内部；衰减特性是指选用合理的损耗介质以及合理的材料结构特征，以便使进入材料内部的电磁波迅速地最大限度地衰减掉。通过调节碳纳米管的含量、填充量、厚度等参数就可以调节吸波材料的阻抗匹配和衰减特性，从而达到最佳的吸波性能。
碳化硅纤维和碳纳米管本身就属于低密度、高强度的材料，力学性能优异，物理化学性质稳定。本实验制备的碳纳米管/碳化硅纤维复合材料的吸波机制以介电损耗为主，表面生长有碳纳米管的碳化硅纤维构成导电的三维网状结构，在电磁场的作用下，自由电子在其中定向移动，产生电流，将电磁能转化为内能消耗掉。碳纳米管/碳化硅纤维复合材料中，碳纳米管与端部的铁颗粒以及碳化硅纤维之间存在大量的界面，电荷会在界面处聚集，形成类似电容器的结构，碳纳米管的缺陷处也会聚集电荷，形成偶极子，这些都会产生极化弛豫，从而消耗电磁波的能量。此外，碳纳米管的多壁结构会使电磁波发生多重散射，进一步消耗电磁能。
因此，碳纳米管的引入可以提高电导率，表面生长有碳纳米管的碳化硅纤维构成导电的三维网络结构，碳纳米管/碳化硅纤维复合材料中存在大量界面，碳纳米管内部存在大量缺陷，这些都有利于增强吸波性能。
使用本发明所述制造方法制备出来的碳纳米管/碳化硅纤维吸波材料密度低、强度高、吸波能力强，具有高达8.8GHz的有效吸收带宽。由于性能可调节，因此可以将其掺入各种基体材料中，既能提高吸波性能，又能增强力学性能，从而获得各种性能优异的多功能吸波复合材料。
由于该材料制备过程其性能调节十分方便，因此本实验制备得到的吸波材料可作为吸波剂掺入基体材料中，上述基体材料必须为透波材料，即电磁波入射后几乎不会发生反射或者被材料吸收，而是透过材料继续传播，得到吸波复合材料。因此可将其作为吸波剂掺入其它基体材料（如高分子、陶瓷等），既能获得优异的吸波性能，又能强化基体。例如，可将制得的碳纳米管/碳化硅纤维吸波材料以10wt.%的填充量掺入聚二甲基硅氧烷(PDMS)基体中，获得了一种柔性的兼有防水功能的吸波复合材料，具体操作步骤如下：使用道康宁184硅橡胶(Sylgard 184,Dow Corning)，将原料与固化剂按10:1质量比均匀混合后加入质量分数为10wt.%的碳纳米管/碳化硅纤维吸波材料，搅拌均匀后常温固化约48h即可。添加10wt.%的碳纳米管/碳化硅纤维吸波材料后，PDMS的抗拉强度由原来的0.33MPa提高到0.72MPa，弹性模量由原来的0.27MPa提高到4.29MPa。由此可见，碳纳米管/碳化硅纤维吸波材料可以显著提高基体的强度和刚度。由于这种硅橡胶基体属于柔性材料，具有良好的疏水性，因此掺入适量碳纳米管/碳化硅纤维吸波材料后，可得到一种柔性的兼有防水功能的高性能吸波复合材料。
将制得的碳纳米管/碳化硅纤维吸波材料以约5wt.%的填充量掺入氧化铝陶瓷基体中，获得了一种高强度、耐高温的吸波复合材料，此外，碳纳米管/碳化硅纤维吸波材料还对陶瓷基体有增韧效果。具体操作步骤如下：将氧化铝粉末与适量的烧结助剂混合后加入5wt.%的碳纳米管/碳化硅纤维吸波材料，均匀混合后进行真空热压烧结，烧结温度为1400℃，保温约2h。添加5wt.%的碳纳米管/碳化硅纤维吸波材料后，氧化铝陶瓷的抗弯强度由原来的187MPa提高到313MPa，断裂韧性由3.50MPa∙m1/2提高到4.26MPa∙m1/2，由此可见，碳纳米管/碳化硅纤维吸波材料可以显著提高陶瓷基体的强度和韧性。
本发明提出了一种基于感应加热技术的超快速制备碳纳米管的方法，不仅适用于碳化硅纤维，也可用于碳纤维，或者可作为碳纳米管生长基体的无机非金属材料；使用二茂铁参与反应，既提供碳源，又提供催化剂，工艺简单，生产效率高。基于该方法可高效制备出高性能的吸波复合材料，例如碳纳米管/碳化硅纤维吸波材料，其性能可调节，可以掺入各种不同的基体材料中，既能提高吸波性能，又能增强力学性能，从而获得各种性能优异的多功能吸波复合材料。
Claims (6)
1.一种高性能吸波材料的高效制备方法，其特征在于，包含以下步骤：
第一步，将碳化硅纤维表面的粘结剂加热分解，先将表面粘附有粘结剂的碳化硅纤维放入石墨容器后，将石墨容器放入耐高温加热管后，打开气体源或真空泵，在真空或惰性气体气氛下感应加热至300-350摄氏度后，保温20-40s；取处理后的碳化硅纤维和二茂铁，所述二茂铁粉末质量不小于碳化硅纤维质量的1/2；
第二步，将二茂铁粉末和碳化硅纤维放入石墨容器后，关闭石墨容器盒盖；
第三步，将石墨容器放入耐高温加热管后，关闭耐高温加热管的密封盖，使耐高温加热管形成密闭的反应空间；
第四步，打开真空泵，将耐高温加热管和石墨盒内抽至真空；
第五步，打开感应加热线圈，感应加热，加热温度在800-1000摄氏度后，保温2-3min，加热后随炉冷却。
2.一种高性能吸波材料的高效制备方法，其特征在于，包含以下步骤：
第一步，将碳化硅纤维表面的粘结剂加热分解，先将表面粘附有粘结剂的碳化硅纤维放入石墨容器后，将石墨容器放入耐高温加热管后，打开气体源或真空泵，在真空或惰性气体气氛下感应加热至300-350摄氏度后，保温20-40s；取处理后的碳化硅纤维和二茂铁，所述二茂铁粉末质量不小于碳化硅纤维质量的1/2；
第二步，将二茂铁粉末和碳化硅纤维放入石墨容器后，关闭石墨容器盒盖；
第三步，将石墨容器放入耐高温加热管后，打开气体源，使石墨容器和耐高温加热管充满惰性气体；
第四步，打开感应加热线圈，加热温度在800-1000摄氏度后，保温2-3min，加热后随炉冷却。
3.根据权利要求1或2所述的一种高性能吸波材料的高效制备方法，其特征在于碳化硅纤维与二茂铁的质量比分别为1:2，功率为6kW的感应加热线圈加热2min后，在纤维表面即可得到质量分数为0.72wt.%的碳纳米管。
4.根据权利要求1或2所述的一种高性能吸波材料的高效制备方法，其特征在于设有高效制备装置，所述高效制备装置设有石墨容器、耐高温加热管和感应加热部，所述耐高温加热管内设有石墨容器，耐高温加热管外侧设有感应加热部，耐高温加热管经导气管与真空泵和或惰性气体源相连接，所述导气管包括真空导气管和惰性气体导气管，真空导气管和惰性气体导气管上均设有阀门，所述耐高温加热管包括管体，管体上设有石墨容器放入口，石墨容器放入口处设有密封盖，所述石墨容器包括盒体，盒体上设有纤维放入口，纤维放入口处设有盒盖，其中，所述耐高温加热管下端设有感应加热部。
5.根据权利要求4所述的一种高性能吸波材料的高效制备方法，其特征在于感应加热部为感应加热线圈。
6.根据权利要求4所述的一种高性能吸波材料的高效制备方法，其特征在于所述耐高温加热管为石英管。
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Citations (3)
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Non-Patent Citations (4)
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| "A route to rapid carbon nanotube growth";Huarong Nie等;《The Royal Society of Chemistry》;第5169-61页 * |
| "Facile synthesis of carbon nanotubes via low temperature pyrolysis of ferrocene";Hui-Ling Zhu;《Journal of Crystal Growth》;第44-47页 * |
| High-Performance Electromagnetic Wave Absorbing CNT/SiCf Composites: Synthesis, Tuning, and Mechanism;徐佳鸣;《Applied Materias》(第12期);20775-20784 * |
| 邹广严.《能源大辞典》.四川科学技术出版社,1997,第1019页. * |
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